煤矿井下钻孔孔内积水抽水螺杆泵钻具系统及其施工方法与流程

本发明涉及钻探机具的技术领域，尤其涉及一种煤矿井下钻孔孔内积水抽水螺杆泵钻具系统及其施工方法。

背景技术：

瓦斯气体是煤矿开采过程中的重要致灾隐患，目前一般采用钻孔进行采前预抽，达到安全标准后，才可进行掘进和回采工作。煤矿井下部分钻孔由于煤层走势的原因，设计成下斜钻孔、或者部分孔段轨迹下凹的定向钻孔，钻孔施工完成后，部分孔段积水，严重影响钻孔抽采瓦斯的效果和抽采达标时间，因此，煤矿井下钻孔孔内积水一直是迫切需要解决的问题。

目前煤矿井下下斜钻孔排水多采用压风排水技术，以井下压缩空气为动力，通过耐高压胶管让压缩空气进入钻孔内使孔内气压升高，并与孔内的水渣混合物进行动量和能量交换，以提高水和煤渣的动能，根据下行钻孔内积水量确定压缩空气的压力和风量，直至孔内气压大于孔外大气压力，在压缩空气的动力作用下，将孔内积水和煤渣压入排水管内，经水管排到钻孔外。这种排水技术需要向孔内下入细长的排水管，多用于常规下斜钻孔，对于定向长钻孔，很难将排水管下到孔底积水段，而且由于井下风压和风量的限制无法实现深孔排水，对于松软煤层，压风排还会对孔壁造成扰动，导致孔壁坍塌，影响瓦斯抽采效果。

有学者提出采用抽油泵的原理，将螺杆泵下入到孔底，通过驱动装置驱动螺杆泵抽水，但由于瓦斯抽采钻孔与油井完井方式不同，油井采用钢套管完井，螺杆泵外壳通过特殊的锚定装置固定于钢套管内壁，然后驱动装置驱动螺杆泵转子即可实现抽油，而瓦斯抽采钻孔多采用裸眼完井，钻孔易出现“大肚子”、坍塌，并且煤层孔壁较软，螺杆泵外壳很难通过锚定装置固定在钻孔孔壁上。

为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种煤矿井下钻孔孔内积水抽水螺杆泵钻具系统及其施工方法，以克服上述缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种煤矿井下钻孔孔内积水抽水螺杆泵钻具系统及其施工方法，能够抽排定向钻孔孔内积水，也可抽排常规下斜钻孔孔内积水，对孔壁扰动小，钻具使用寿命长，性能稳定，可保障钻孔内瓦斯的顺利抽采。

为实现上述目的，本发明公开了一种煤矿井下钻孔孔内积水抽水螺杆泵钻具系统，由主动钻杆、多个双壁单动钻杆、转换接头、螺杆泵、过滤短节、钻头组成，其特征在于：

所述主动钻杆的一端与多个双壁单动钻杆的一端连接，多个双壁单动钻杆依次连接，多个双壁单动钻杆的另一端与转换接头的一端连接，所述转换接头的另一端与螺杆泵的一端连接，所述螺杆泵的另一端与过滤短节的一端连接，所述过滤短节的另一端与钻头的一端连接。

其中：所述主动钻杆由钻杆管体、第一万向轴、钻杆接头、第一母插接头、第一密封套、排水接头和第一芯管组成，所述钻杆管体、第一万向轴、第一芯管、第一母插接头和第一密封套依次连接组成可旋转部分，所述钻杆管体的前端连接至第一万向轴的一端，所述第一万向轴的另一端连接至第一芯管的后端以将动力实现转动，所述第一芯管、第一母插接头和第一密封套设置于钻杆接头内，且所述排水接头垂直设置于钻杆接头的外壁且贯通其内，所述第一芯管的外壁设有多个贯通的第一过水孔，所述主动钻杆的可旋转部分与钻杆接头之间设有第一滚动轴承和第二滚动轴承以实现相对旋转。

其中：所述第一滚动轴承的外轴承圈前端抵靠于钻杆接头的内壁凸台，内轴承圈后端抵靠于第一芯管的外壁凸台，所述第二滚动轴承的外轴承圈后端抵靠于钻杆接头的另一内壁凸台，内轴承圈的两端分别抵靠于第一芯管的前端壁和第一母插接头的一外壁凸台之间从而实现轴向限位。

其中：所述双壁单动钻杆由第一外管、第一公插接头、第二芯管、第二密封套、第二母插接头和第二密封圈组成，由第一公插接头、第二芯管、第二密封套和第二母插接头依次连接组成可旋转部分，第一外管与所述双壁单动钻杆的可旋转部分之间设有第三滚动轴承和第四滚动轴承以实现第一外管的固定以及可旋转部分的旋转。

其中：所述第三滚动轴承的外轴承圈前端抵靠于第一外管的内壁凸台，内轴承圈后端抵靠于第一公插接头的外壁凸台，所述第四滚动轴承的外轴承圈后端抵靠于第一外管的另一内壁凸台，内轴承圈的前端抵靠于第二母插接头的一外壁凸台从而实现轴向限位。

其中：所述转换接头由第二外管、第二公插接头、第三芯管和第三密封圈组成，所述第二外管是外部固定部分，第二公插接头与第三芯管通连接组成可旋转部分，第二外管和可旋转部分之间设有第五轴承，所述芯管的前端封闭且管壁上分布有若干个第二过水孔，所述第三芯管的前端设有连接柱。

其中：所述第五轴承的外轴承圈前端抵靠于第二外管的内壁凸台，内轴承圈后端抵靠于第二公插接头的外壁凸台从而实现轴向限位。

其中：所述螺杆泵由第二万向轴、第三外管、橡胶定子和转子组成，所述第二万向轴的前端固定至转子的后端，所述橡胶定子固定至第三外管的内壁，所述转子设置于橡胶定子内以组成螺杆副，所述橡胶定子和转子的旋向是左旋。

其中：所述过滤短节由带孔外管、过滤芯管、支撑环和孔用挡圈组成，所述过滤芯管的两端分别通过支撑环、孔用挡圈与带孔外管之间实现固定。

还公开了一种煤矿井下钻孔孔内积水抽水螺杆泵钻具系统的施工方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一，依次连接下入钻头、过滤短节、螺杆泵、转换接头和若干根双壁单动钻杆至已知的积水孔段深度；

步骤二，加接主动钻杆，使过滤短节完全沉浸于孔内积水段；

步骤三：钻机夹持器夹住主动钻杆的钻杆接头，钻机回转器抱紧主动钻杆的钻杆管体，回转器逆时针回转，扭矩传递到螺杆泵的转子，进行抽水并排出；

步骤四：当无出水后，卸开主动钻杆，加接或退出双壁单动钻杆至下一处已知的积水孔段深度，重复步骤三；

步骤五：当钻孔所有积水孔段的排水工作完成后，退出所有抽水工具。

通过上述内容可知，本发明的煤矿井下钻孔孔内积水抽水螺杆泵钻具系统及其施工方法具有如下效果：

1、通过调整下入钻杆的数量，可抽排定向钻孔任意孔段的积水，也可抽排常规下斜钻孔孔内积水；

2、所有的内部管体螺纹连接均采用反丝螺纹，螺杆泵也是采用左螺旋形式，抽水时动力头逆时针回转，通过内管总成驱动螺杆泵抽水，外管总成螺纹连接会越来越紧，不会松扣，整个系统工作稳定；

3、系统内管总成和外管总成都通过特别设置和限位的滚动轴承连接，并通过特别设置的密封套和密封圈进行密封，整体结构运转更为流畅，对钻机动力头扭矩要求低、钻具受力条件好、避免了内外管体的摩擦损耗，可有效延长系统使用寿命；

4、没有锚定装置，也无压缩空气对孔壁的冲刷，对钻孔孔壁扰动小。

本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。

附图说明

图1显示了本发明的煤矿井下钻孔孔内积水抽水螺杆泵钻具系统的结构示意图。

图1a显示了本发明的主动钻杆与双壁单动钻杆连接的示意图。

图1b显示了本发明的双壁单动钻杆互相连接的示意图。

图1c显示了本发明的双壁单动钻杆与转换接头连接的示意图。

图1d显示了本发明的转换接头与螺杆泵连接的示意图。

图2显示了本发明的主动钻杆的结构示意图。

图3显示了本发明的双壁单动钻杆的结构示意图。

图4显示了本发明的转换接头的结构示意图。

图5显示了本发明的螺杆泵的结构示意图。

图6显示了本发明的过滤钻杆的结构示意图。

附图标记：

1.主动钻杆；2.双壁单动钻杆；3.转换接头；4.螺杆泵；5.过滤短节；6.钻头；101.钻杆管体；102.第一万向轴；103.钻杆接头；104.第一母插接头；105.第一密封套；106.第一滚动轴承；107.排水接头；108.第二滚动轴承；109.第一芯管；201.第一外管；202.第三滚动轴承；203.第一公插接头；204.第二芯管；205.第四滚动轴承；206.第二密封套；207.第二母插接头；208.第二密封圈；301.第二外管；302.第五滚动轴承；303.第二公插接头；304.第三芯管；305.第三密封圈；401.第二万向轴；402.第三外管；403.橡胶定子；404.转子；501.带孔外管；502.过滤芯管；503支撑环；504孔用挡圈。

具体实施方式

参见图1，显示了本发明的煤矿井下钻孔孔内积水抽水螺杆泵钻具系统。

所述煤矿井下钻孔孔内积水抽水螺杆泵钻具系统主要由主动钻杆1、多个双壁单动钻杆2、转换接头3、螺杆泵4、过滤短节5、钻头6组成，同时参见图1a、图1b、图1c和图1d，所述主动钻杆1的一端与多个双壁单动钻杆2的一端连接，多个双壁单动钻杆2的数量可根据所需排水孔段的深度进行选择且依次连接，多个双壁单动钻杆2的另一端与转换接头3的一端连接，所述转换接头3的另一端与螺杆泵4的一端连接，所述螺杆泵4的另一端与过滤短节5的一端连接，所述过滤短节5的另一端与钻头6的一端连接。

参见图2，所述主动钻杆1由钻杆管体101、第一万向轴102、钻杆接头103、第一母插接头104、第一密封套105、第一滚动轴承106、排水接头107、第二滚动轴承108和第一芯管109组成，其中，所述钻杆管体101、第一万向轴102、第一芯管109、第一母插接头104和第一密封套105依次连接组成的内管总成是可旋转部分，所述钻杆接头103与排水接头107组成的外管总成是非旋转部分，所述钻杆管体101的前端连接至第一万向轴102的一端，所述第一万向轴102的另一端连接至第一芯管109的后端，从而通过钻杆管101连接至钻机动力头后，将动力通过第一万向轴102实现方向可调的转动，所述第一芯管109的前端可通过螺纹连接等固定方式固定至第一母插接头104的后端，所述第一母插接头104的前端可通过螺纹连接等固定方式连接至第一密封套105的后端，所述第一芯管109、第一母插接头104和第一密封套105设置于钻杆接头103内，且所述排水接头107垂直设置于钻杆接头103的外壁且贯通其内，所述第一芯管109的外壁设有多个贯通的第一过水孔，以将内部的液体通过第一过水孔和排水接头107进行排出，所述所述主动钻杆的可旋转部分与钻杆接头之间设有第一滚动轴承106和第二滚动轴承108以实现旋转，所述第一滚动轴承106的外轴承圈前端抵靠于钻杆接头103的内壁凸台，内轴承圈后端抵靠于第一芯管109的外壁凸台，所述第二滚动轴承108的外轴承圈后端抵靠于钻杆接头103的另一内壁凸台，内轴承圈的两端分别抵靠于第一芯管109的前端壁和第一母插接头104的一外壁凸台之间，从而实现轴向限位。

参见图3，所述双壁单动钻杆2由第一外管201、第三滚动轴承202、第一公插接头203、第二芯管204、第四滚动轴承205、第二密封套206、第二母插接头207和第二密封圈208组成，其中，由第一公插接头203、第二芯管204、第二密封套206和第二母插接头207组成可旋转部分，第一公插接头203、第二母插接头207与第二芯管204之间可通过反丝螺纹依次连接，第一外管201与可旋转部分之间设有第三滚动轴承202和第四滚动轴承205，以实现第一外管201的固定以及可旋转部分的旋转，其中，所述第三滚动轴承202的外轴承圈前端抵靠于第一外管201的内壁凸台，内轴承圈后端抵靠于第一公插接头203的外壁凸台，所述第四滚动轴承205的外轴承圈后端抵靠于第一外管201的另一内壁凸台，内轴承圈的前端抵靠于第二母插接头205的一外壁凸台，从而实现轴向限位，且所述第一外管201的后端固定容置所述钻杆接头103的前端，所述第一公插接头203与第一母插接头104相互插接固定，且所述第一公插接头203容置于第一密封套105内且两者之间设有多个密封圈，以实现动力传动和密封功能。

参见图4，所述转换接头3由第二外管301、第五滚动轴承302、第二公插接头303、第三芯管304和第三密封圈305组成，所述第二外管301是外部固定部分，第二公插接头303与第三芯管304通过反丝螺纹连接组成可旋转部分，第二外管301和可旋转部分之间设有第五轴承302，所述第三芯管304的前端封闭且管壁上分布有若干个直径6-10mm的第二过水孔，所述第五轴承305的外轴承圈前端抵靠于第二外管301的内壁凸台，内轴承圈后端抵靠于第二公插接头303的外壁凸台，从而实现轴向限位，所述第二外管301的后端容置固定有第一外管201的前端，所述第二公插接头303与第二母插接头207相互插接固定，且所述第二公插接头203容置于第二密封套105内且两者之间设有多个密封圈，以实现动力传动和密封功能。

其中，所述第三滚动轴承202、第四滚动轴承205和第五滚动轴承305可为轴承组结构，可包含并排设置的两滚珠轴承。

其中，所述第三芯管304的前端设有连接柱。

参见图5，所述螺杆泵4由第二万向轴401、第三外管402、橡胶定子403和转子404组成，所述第三外管402的后端容置固定有第二外管301的前端，所述第二万向轴401的后端设有连接筒，所述连接筒可螺纹或通过形状配合固定至连接柱，所述第二万向轴401的前端固定至转子404的后端，所述橡胶定子403固定至第三外管402的内壁，所述转子404设置于橡胶定子403内以组成螺杆副，所述橡胶定子403和转子404头数可以是单头，也可以是多头，橡胶定子403和转子404的旋向优选为左旋，所述第三外管402的后端容置固定有第二外管301的前端。

参见图6，所述的过滤短节5由带孔外管501、过滤芯管502、支撑环503和孔用挡圈504组成，所述过滤芯管502的两端分别通过支撑环503、2个孔用挡圈504与带孔外管501之间实现固定，过滤芯管滤眼直径需根据螺杆泵允许通过的固体粒径确定。

综上所述，本发明的抽水螺杆泵钻具系统分为系统外管总成和系统内管总成两大部分，系统外管总成由主动钻杆1的钻杆接头、双壁单动钻杆2的第一外管、转换接头3的第二外管和螺杆泵4的第三外管、过滤短节5和钻头6依次通过正丝螺纹连接组成，系统内管总成由主动钻杆1、双壁单动钻杆2内管总成、转换接头3的可旋转部分和螺杆泵4内的第二万向轴以及转子等依次通过插接或反丝螺纹连接，所述插接结构均设置有两道密封圈进行密封，系统外管总成和系统内管总成两大部分可相对转动，并且两者之间安装有若干组滚动轴承。

而且，本发明的发明人在各连接结构之间特别设置了密封组件，且相对旋转之间通过各个轴承的特别设置和限位，更加优化了相互的旋转和密封，实现了更好的效果。

由此，通过上述结构的煤矿井下钻孔孔内积水抽水螺杆泵钻具系统可实现煤矿井下钻孔孔内积水的抽排，具体施工方法主要包括以下几个步骤：

步骤一，依次连接下入钻头6、过滤短节5、螺杆泵4、转换接头3和若干根双壁单动钻杆2至已知的积水孔段深度；

步骤二，加接主动钻杆1，使过滤短节5完全沉浸于孔内积水段；

步骤三：钻机夹持器夹住主动钻杆1的钻杆接头103，使系统外管总成固定，即将螺杆泵定子固定，然后，钻机回转器抱紧主动钻杆1的钻杆管体101，回转器逆时针回转，扭矩通过系统内管总成传递到螺杆泵3的转子，驱动螺杆马达抽水，若干时间后，水从过滤短节5经螺杆泵4抽吸，进入到转换接头3的第三芯管304与第二外管301之间的环空，然后通过第三芯管304管壁上的第二过水孔进入双壁单动钻杆2的第二芯管204内，流经主动钻杆1的第一芯管109后，从第一芯管109的第一过水孔流入第一芯管109与钻杆接头103之间的环空，最终从排水接头107排出；

步骤四：当排水接头107无出水后，表明该孔段积水已排干，卸开主动钻杆1，加接或退出若干根双壁单动钻杆2至下一处已知的积水孔段深度，重复步骤三；

步骤五：当钻孔所有积水孔段的排水工作完成后，退出所有抽水工具。

由此可见，本发明的优点在于：

1、通过调整下入钻杆的数量，可抽排定向钻孔任意孔段的积水，也可抽排常规下斜钻孔孔内积水；

2、所有的内部管体螺纹连接均采用反丝螺纹，螺杆泵也是采用左螺旋形式，抽水时动力头逆时针回转，通过内管总成驱动螺杆泵抽水，外管总成螺纹连接会越来越紧，不会松扣，整个系统工作稳定；

3、系统内管总成和外管总成都通过特别设置和限位的滚动轴承连接，并通过特别设置的密封套和密封圈进行密封，整体结构运转更为流畅，对钻机动力头扭矩要求低、钻具受力条件好、避免了内外管体的摩擦损耗，可有效延长系统使用寿命；

4、没有锚定装置，也无压缩空气对孔壁的冲刷，对钻孔孔壁扰动小。

显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。